JP5333727B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)と積層されることによって燃料電池を構成する燃料電池用セパレータに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell separator that constitutes a fuel cell by being laminated with MEA (Membrane Electrode Assembly).
従来、この種の技術としては、例えば特許文献1に記載のものがあった。
これは、金属製の第1,第2プレートと、これら両プレート相互間に挟持されるプレートであって、積層時に電解質層及び電極層と重なる領域の一部に、厚さ方向に貫通し、冷媒が流れる冷媒流路を第1,第2プレート間に形成する第3プレート(中間プレート)とを備える。そして、上記冷媒流路に配置されると共に、燃料電池の発電時におけるセパレータ面内の温度分布において、より温度が高くなる領域ほど冷媒の流速が速くなるように、冷媒流路内における冷媒の流速を調整する流速調整部を備える、というものである(特許文献1参照)。
Conventionally, as this kind of technology, for example, there is one described in Patent Document 1.
This is a metal first and second plate, and a plate sandwiched between these two plates, and penetrates in a part of the region overlapping the electrolyte layer and the electrode layer during lamination, And a third plate (intermediate plate) that forms a refrigerant flow path through which the refrigerant flows between the first and second plates. The flow rate of the refrigerant in the refrigerant flow channel is arranged in the refrigerant flow channel so that the flow rate of the refrigerant in the temperature distribution in the separator surface during power generation of the fuel cell becomes higher as the temperature becomes higher. It is said that it has a flow velocity adjustment part which adjusts (refer to patent documents 1).
上記従来技術によれば、燃料電池内部に冷媒を流通させる際に、燃料電池の内部温度をセル面内で均等化できるという利点を有するが、次のような問題が残されていた。
すなわち上記従来技術において、中間プレートにはシール層と耐熱性樹脂層とを備えるラミネート樹脂が使用されることがあるが、このようなラミネート樹脂は金属製の第1,第2プレートに比べて剛性が低い。しかも、ラミネート樹脂からなる中間プレートの外周側には、その機能上、空気(酸素)、水素等のガスや水等の冷却媒体が流れるマニホールド穴が複数並んで配設されている。したがって、中間プレート外周部は極めて幅が狭く長い構造となっており、厚みも薄いことから、その部分における剛性は極めて低くなっている。
一方、燃料電池は、このようなセパレータと単セル(MEAとガス流路形成部)との組を多数配列する構造であるためこれらを一定荷重で締結するが、この際、MEAからのガスの漏れ出しをその外周部分において防ぐためのシール部(ガスケット)にも荷重分配されるため、シールライン(ガスケットライン)上は荷重がかかりやすい部分となる。
According to the above prior art, there is an advantage that the internal temperature of the fuel cell can be equalized in the cell plane when the refrigerant is circulated inside the fuel cell, but the following problems remain.
That is, in the above prior art, a laminate resin having a seal layer and a heat-resistant resin layer may be used for the intermediate plate, but such a laminate resin is more rigid than the first and second plates made of metal. Is low. In addition, on the outer peripheral side of the intermediate plate made of the laminate resin, a plurality of manifold holes through which a cooling medium such as water (gas) such as air (oxygen) or hydrogen, or water flows are arranged side by side. Therefore, the outer peripheral portion of the intermediate plate has a very narrow and long structure, and the thickness is thin. Therefore, the rigidity in that portion is extremely low.
On the other hand, since the fuel cell has a structure in which a large number of such separators and single cells (MEA and gas flow path forming part) are arranged, these are fastened with a constant load. At this time, the gas from the MEA Since the load is also distributed to the seal portion (gasket) for preventing leakage at the outer peripheral portion, the load is easily applied on the seal line (gasket line).
上記のように、ラミネート樹脂を中間プレートに用いたセパレータにおいては、金属板のみで構成したセパレータに比べてセパレータ全体の剛性が低くなるが、特にシールラインに対応するセパレータ外周部分で必要な剛性が確保されない場合、適切な荷重分配が期待できず、ガスシール性の低下や、シール部ずれによる短絡を引き起こす虞がある。このため、必要な剛性を有する場合に達成できるセパレータの更なる薄型化を阻む要因となっていた。
また、中間プレートの外周部分における剛性が極めて低いことによっては、セパレータと単セルとの組を多数締結する際の締結荷重によるシール部の反力で中間プレートに配設された上記マニホールド穴等のガス、冷却媒体の流路が変形し、圧損バラツキを発生させる虞がある。このため、中間プレートの位置決めは注意深く行わなければならず、面倒な作業となっていた。
As described above, in the separator using the laminate resin for the intermediate plate, the rigidity of the entire separator is lower than that of the separator constituted only by the metal plate, but the rigidity required particularly in the outer peripheral portion of the separator corresponding to the seal line is reduced. If it is not ensured, appropriate load distribution cannot be expected, and there is a risk of causing a short circuit due to a decrease in gas sealability or a deviation of the seal portion. For this reason, it has become a factor that hinders further thinning of the separator that can be achieved when it has the required rigidity.
Further, since the rigidity at the outer peripheral portion of the intermediate plate is extremely low, the manifold hole or the like disposed in the intermediate plate is caused by the reaction force of the seal portion due to the fastening load when a large number of pairs of separators and single cells are fastened. There is a possibility that the flow path of the gas and the cooling medium may be deformed to cause pressure loss variation. For this reason, the positioning of the intermediate plate has to be performed carefully, which is a troublesome operation.
本発明は、MEAにおけるガス漏れを防ぐためのシール部のラインに対応するセパレータ外周部分における剛性の低下を防止でき、セパレータの更なる薄型化と中間プレートの位置決めの簡易化を可能とした燃料電池用セパレータを提供することを課題とする。 The present invention can prevent a decrease in rigidity at the outer peripheral portion of the separator corresponding to the seal portion line for preventing gas leakage in the MEA, and can further reduce the thickness of the separator and simplify the positioning of the intermediate plate. It is an object to provide a separator for an automobile.
上記課題は、燃料電池用セパレータを下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、1つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
The said subject is solved by making the separator for fuel cells into the structure of each following aspect.
As with the claims, each aspect is divided into sections, each section is numbered, and is described in a form that cites the numbers of other sections as necessary. This is merely for the purpose of facilitating the understanding of the present invention, and the technical features described in this specification and combinations thereof should not be construed as being limited to those described in the following sections. . In addition, when a plurality of items are described in one section, it is not always necessary to employ the plurality of items together, and it is also possible to take out only a part of the items and employ them.
以下の各項のうち、(1)項が請求項1に、(2)項が請求項2に、各々対応する。 Of following sections (1) term in claim 1, (2) term in claim 2, each corresponding.
(1) 燃料電池を構成する複数の膜−電極接合体相互間を仕切る燃料電池用セパレータであって、対向する金属製の一対の電極プレート及びこの一対の電極プレートに挟持積層される樹脂製の中間プレートを備えてなり、前記膜−電極接合体の触媒電極と前記電極プレートとの間のガス流路形成部の外周部と、前記膜−電極接合体の外周部とに設けられ、前記電極プレートと接触することにより前記ガス流路形成部におけるガスシール性を保持させるシール部の、セパレータ外周部を一巡するラインに対応する前記中間プレート部分又はその外周に補強部が設けられ、この補強部は、前記ラインに沿ってセパレータ外周部に連続又は断続して形成され、前記中間プレート中に前記補強部が埋込み形成されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
中間プレートは、対向する一対の電極プレートに挟持積層されて冷媒流路を形成させるプレートである。
シール部のライン(シールライン)は、シール部が電極プレートに接触するラインであって、多数の燃料電池用セパレータと単セル(膜−電極接合体とガス流路形成部)との組の締結時にシール部の反力を受ける部分であり、補強部はこの部分の剛性を高める。
補強部のシールラインに沿う方向に交差する方向の寸法(補強部の幅)は、補強部の材質や中間プレートの材質等を考慮して種々に設定される。
断続とは連続しない全ての形態を含み、断続する補強部のシールラインに沿う方向の寸法(補強部単体の長さ)や補強部の相互間隔等は種々に設定される。
(2) 前記補強部は、金属材からなる(1)項に記載の燃料電池用セパレータ。
金属材としては、ステンレス鋼やチタン等の高耐食性を有する金属材が挙げられる。
(1) A fuel cell separator that partitions a plurality of membrane-electrode assemblies constituting a fuel cell, and is made of a pair of opposing metal electrode plates and a resin sandwiched and laminated between the pair of electrode plates Comprising an intermediate plate, provided on the outer periphery of the gas flow path forming part between the catalyst electrode of the membrane-electrode assembly and the electrode plate, and on the outer periphery of the membrane-electrode assembly, A reinforcing portion is provided on the intermediate plate portion corresponding to a line that goes around the outer peripheral portion of the separator or a peripheral portion of the sealing portion that keeps the gas sealing property in the gas flow path forming portion by contacting the plate, and the reinforcing portion Is formed continuously or intermittently on the outer periphery of the separator along the line, and the reinforcing portion is embedded in the intermediate plate. Data.
The intermediate plate is a plate that is sandwiched and stacked between a pair of opposed electrode plates to form a refrigerant flow path.
The seal part line (seal line) is a line where the seal part comes into contact with the electrode plate, and a set of a set of a number of fuel cell separators and single cells (membrane-electrode assembly and gas flow path forming part). It is a part that sometimes receives the reaction force of the seal part, and the reinforcing part increases the rigidity of this part.
The dimension (width of the reinforcing part) in the direction intersecting the direction along the seal line of the reinforcing part is variously set in consideration of the material of the reinforcing part, the material of the intermediate plate, and the like.
Intermittent includes all forms that are not continuous, and various dimensions are set in the direction along the seal line of the reinforcing part that is intermittent (the length of the reinforcing part alone), the mutual interval between the reinforcing parts, and the like.
(2) The fuel cell separator according to (1), wherein the reinforcing portion is made of a metal material.
Examples of the metal material include metal materials having high corrosion resistance such as stainless steel and titanium.
(1)項に記載の発明によれば、膜−電極接合体におけるガス漏れを防ぐためのシール部のラインに対応するセパレータ外周部分における剛性の低下を防止できる。したがって従来、セパレータ外周部分における剛性の低下によってその達成を阻んでいたセパレータの更なる薄型化、中間プレートの位置決めの簡易化が可能となる。
また、シールラインに沿う補強部の配設形態を必要に応じて様々に設定できる。
更に、補強部が直接、電極プレートに当接する場合の中間プレートにおけるシール性保持のための補強部の寸法設定の制約は生じない。
(2)項に記載の発明によれば、金属材は入手しやすく、加工も容易でありながらセパレータ外周部分における剛性の低下防止効果は大きく、コスト対効果に優れる。
According to the invention described in the item (1), it is possible to prevent a decrease in rigidity in the outer peripheral portion of the separator corresponding to the line of the seal portion for preventing gas leakage in the membrane-electrode assembly. Therefore, it is possible to further reduce the thickness of the separator and to simplify the positioning of the intermediate plate, which has hitherto been hindered by the decrease in rigidity at the separator outer periphery.
Moreover, the arrangement | positioning form of the reinforcement part along a seal line can be set variously as needed.
Further, there is no restriction on the dimension setting of the reinforcing portion for maintaining the sealing performance in the intermediate plate when the reinforcing portion directly contacts the electrode plate.
According to the invention described in the item (2), the metal material is easily available and can be easily processed, but the effect of preventing the decrease in rigidity at the outer peripheral portion of the separator is great, and the cost effectiveness is excellent.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図1は、本発明が適用される燃料電池の一例の概略断面図である。
図示するように燃料電池は、セパレータ10と、MEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)30と、ガス流路形成部40,41とを順次積層した積層体を備えている。
この場合、セパレータ10は、一方の電極プレートをなすカソード側プレート12、樹脂製の中間プレート13及び他方の電極プレートをなすアノード側プレート14の3層からなる。MEA30とガス流路形成部40,41とは、発電の単位である単セル60を形成しているが、上記セパレータ10は、各単セル60間に配設されるもので、内部に冷媒流路18を形成している。なお、冷媒とは水等の冷却媒体を指す。
このような単セル60及びセパレータ10からなる構成の単位を繰り返し積層することによって燃料電池が構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a fuel cell to which the present invention is applied.
As shown in the figure, the fuel cell includes a laminated body in which a
In this case, the
A fuel cell is configured by repeatedly laminating units having such a
図2は、図1中のセパレータ10を構成するカソード側プレート12、中間プレート13、及びアノード側プレート14の概略平面図で、(a)はカソード側プレート12、(b)は中間プレート13、(c)はアノード側プレート14を、各々示す。なお図1は、平面形状が長方形の燃料電池の短手方向の断面を示しており、その断面位置を代表して図2(a)中にI−I線にて示す。
2 is a schematic plan view of the
図2(a)〜(c)に示すように、セパレータ10を構成する各プレート12〜14は、外形状、寸法がほぼ等しい長方形の薄板材からなる。各プレート12〜14は、外周部の互いに対応する位置に、辺に沿って細長く形成される複数の穴部20〜25を有している。これら複数の穴部20〜25は、セパレータ10及び単セル60を積層して燃料電池を組み立てたときに、燃料電池内部を積層方向に貫通し、内部を所定の流体が流れるマニホールドを形成する。
As shown in FIGS. 2A to 2C, each of the
すなわち、各プレート12〜14の対応する所定の一辺の近傍には、この辺に沿って複数個、図示例では6個の穴部20が設けられており、また、各プレート12〜14の上記所定の一辺に対向する辺の近傍には、この辺に沿って複数個、図示例では6個の穴部21が設けられている。この場合、穴部20は、電気化学反応に供される酸化ガスが流れる酸化ガス供給マニホールドを形成し、穴部21は、電気化学反応に供された酸化ガスが流入する酸化ガス排出マニホールドを形成する。
なお酸化ガスは、酸素を含有するガスであり、ここでは空気を用いている。
That is, in the vicinity of a predetermined one side corresponding to each of the
Note that the oxidizing gas is a gas containing oxygen, and air is used here.
各プレート12〜14の更に他の一辺の近傍には、この辺に沿って2つの穴部22,23が設けられている。この場合、穴部20が設けられた辺側には穴部22が設けられ、穴部21が設けられた辺側には穴部23が設けられている。
上記穴部22は、セパレータ10内の冷媒流路18へと分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールドを形成し、穴部23は、電気化学反応に供された燃料ガスが流入する燃料ガス排出マニホールドを形成する。
なお冷媒としては、例えば不凍液や空気が用いられている。また燃料ガスは、水素を含有するガスであり、ここでは水素ガスを用いている。
Two
The
For example, an antifreeze or air is used as the refrigerant. The fuel gas is a gas containing hydrogen, and hydrogen gas is used here.
上記各プレート12〜14の、他の一辺に対向する辺の近傍には、この辺に沿って2つの穴部24,25が設けられている。この場合、穴部20が設けられた辺側には穴部24が設けられ、穴部21が設けられた辺側には穴部25が設けられている。
上記穴部24は、電気化学反応に供される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールドを形成し、穴部25は、セパレータ10内の冷媒流路18から排出された冷媒が流入する冷媒排出マニホールドを形成する。
なお、穴部に付された符号20〜25は、便宜上、各々対応するマニホールドにも付した。
Two
The
In addition, the code | symbols 20-25 attached | subjected to the hole part were also attached | subjected also to the corresponding manifold, respectively for convenience.
カソード側プレート12は、その外周部に、上記穴部20〜25に加えて細長い複数の穴部26,27を備えている。この場合、穴部26は、複数の穴部20の各々に対応してその穴部20の近傍に設けられ、穴部20よりも内側において穴部20に平行に形成されている。また穴部27は、複数の穴部21の各々に対応してその穴部21の近傍に設けられ、穴部21よりも内側において穴部21に平行に形成されている。
The
中間プレート13には、外周部に形成される上記穴部20〜25に加えて、外周部を除く中央部を貫通する略四角形状の穴部である冷媒流路形成部15が形成されている。この冷媒流路形成部15は、中間プレート13がカソード側プレート12とアノード側プレート14とに挟持されたときに、冷媒流路18となる空間を形成する。また、中間プレート13では、穴部20,21、23,24は、他のプレート12,14とは異なる形状を有しており、各穴部20,21、23,24のプレート中央部側の辺が、プレート中央部側へと延出する複数の延出部(ガス供給排出路)を備える形状となっている。各穴部20,21、23,24が有する上記複数の延出部を、各々連通部70,71,73,74と記す。
また中間プレート13は、穴部22と冷媒流路形成部15とを連通させる複数の貫通孔(冷媒供給排出路)72を備えている。この複数の貫通孔72は、中間プレート13の長辺方向と平行に穴部22と冷媒流路形成部15との間を連通させるように、互いに平行に形成されている。更に中間プレート13は、貫通孔72と同様に穴部25と冷媒流路形成部15との間を連通させる複数の貫通孔(冷媒供給排出路)75を備えている。
In addition to the
The
アノード側プレート14は、その外周部に、上記穴部20〜25に加えて穴部28,29を備えている。この場合、穴部28は、穴部23の近傍に設けられ、穴部23よりも内側において穴部23に平行に形成された細長い穴部である。穴部29は、穴部24の近傍に設けられており、穴部24よりも内側において穴部24に平行に形成された細長い穴部である。
The
なお、カソード側プレート12に設けられた穴部26と、中間プレート13に設けられた連通部70とは、酸化ガス供給マニホールド20を流れる酸化ガスを、セパレータ10内部を通って、ガス流路形成部40が配設されたセパレータ10表面へと導く酸化ガス供給路を形成する。そして、カソード側プレート12に設けられた穴部27と、中間プレート13に設けられた連通部71とは、ガス流路形成部40が配設されたセパレータ10表面から、セパレータ10内部を通って、酸化ガス排出マニホールド21へと酸化ガスを導く酸化ガス排出路を形成する。
また、アノード側プレート14に設けられた穴部29と、中間プレート13に設けられた連通部74とは、燃料ガス供給マニホールド24を流れる燃料ガスを、セパレータ10内部を通って、ガス流路形成部41が配設されたセパレータ10表面へと導く燃料ガス供給路を形成する。そして、アノード側プレート14に設けられた穴部28と、中間プレート13に設けられた連通部73とは、ガス流路形成部41が配設されたセパレータ10表面から、セパレータ10内部を通って、燃料ガス排出マニホールド23へと燃料ガスを導く燃料ガス排出路を形成する。
The
Further, the
上記カソード側プレート12及びアノード側プレート14は、ステンレス鋼あるいはチタン等の高耐食性を有する導電性金属による薄板材からなる。
中間プレート13は、シール層と耐熱性樹脂層とを備えるラミネート樹脂によって形成されているが、その他の材質によって形成してもよい。穴部20〜29は、打ち抜き加工によって形成されている。
セパレータ10を形成する際には、カソード側プレート12、中間プレート13、アノード側プレート14の順に、各穴部20〜25を位置合わせしつつ重ね合わせ、加熱接着により各プレート12〜14間をシール接合している。
The
The
When forming the
単セル60を構成するMEA30は、電解質層と、電解質層上に形成された触媒電極層とを備えている。図示する燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層は固体高分子材料からなり、触媒電極層は電気化学反応を促進する触媒からなる。
ガス流路形成部40,41は、導電性及びガス透過性を有する板状材からなり、ガス流路形成部40,41と接するMEA30表面上には、カーボン多孔質体からなる層が配設されている。
このガス流路形成部40,41の内部に形成される空間は、電気化学反応に供されるガスの単セル60内での流路を形成する。すなわち、MEA30とカソード側プレート12との間に配設されるガス流路形成部40は、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路を形成する。また、MEA30とアノード側プレート14(図示する単セル60の下方側に積層されている図示しないセパレータ10のアノード側プレート14を指す。)との間に配設されるガス流路形成部41は、燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路を形成する。
The
The gas flow
The space formed inside the gas flow
隣り合うセパレータ10間であって、MEA30及びガス流路形成部40,41の外周部には、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料によるシール部42がMEA30と一体に設けられている。
このシール部42は、詳細な図示を省略したが、例えば金型のキャビティにMEA30部の外周端部を臨ませて、樹脂材料を射出成形することによって作製される。これにより、MEA30とシール部42とが隙間なく接合され、酸化ガスと燃料ガスが接合部から漏れ出すことを防止できる。
図3は、このようなMEA30と一体形成されたシール部42の概略平面図である。
図中のシール部42は、外形状、寸法がセパレータ10とほぼ等しい長方形をなし、セパレータ10と同様に穴部20〜25が形成されている。
この図3において、冷媒供給マニホールドを形成する穴部22は「冷媒入口」、冷媒排出マニホールドを形成する穴部25は「冷媒出口」、燃料ガス供給マニホールドを形成する穴部24は「H2入口」、燃料ガス排出マニホールドを形成する穴部23は「H2出口」となっている。
Between the
Although the detailed illustration is omitted, the
FIG. 3 is a schematic plan view of the
The
In FIG. 3, the
図1において、セパレータ10及び単セル60が作製されると、カソード側プレート12がガス流路形成部40に接し、アノード側プレート14がガス流路形成部41(図示するセパレータ10の上方側に積層されている図示しない単セル60のガス流路形成部41を指す。)に接するように、セパレータ10と単セル60とを交互に積層することによって燃料電池が製造される。
In FIG. 1, when the
上記のような燃料電池において、酸化ガス供給マニホールド20に対して酸化ガスを供給すると、酸化ガスは、各々のセパレータ10における連通部70と穴部26とからなる酸化ガス供給路を通って、ガス流路形成部40が形成する単セル内酸化ガス流路へと分配される。
分配された酸化ガスは、電気化学反応に供されつつ、単セル内酸化ガス流路を酸化ガス排出マニホールド21側へと流れる。単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れの向きを、MEA30面に対する向きとして、図3中に矢印アで示す。
単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、セパレータ10における穴部27と連通部71とからなる酸化ガス排出路を通って、酸化ガス排出マニホールド21へと排出される。マニホールド近傍における酸化ガスの流出入の様子を、図1中に矢印イで示す。
In the fuel cell as described above, when the oxidizing gas is supplied to the oxidizing
The distributed oxidizing gas flows through the oxidizing gas flow path in the single cell toward the oxidizing
The oxidant gas that has passed through the oxidant gas flow path in the single cell is discharged to the oxidant
また、冷媒供給マニホールド22に対して冷媒を供給すると、冷媒は、各々のセパレータ10における中間プレート13の複数の貫通孔72を通って、冷媒流路18へと分配される。
図4は、図1に示す燃料電池の長手方向の断面図であり、その断面位置を代表して図2(a)中にIV−IV線にて示す。
図4では、冷媒供給マニホールド22を流れる冷媒が、複数の貫通孔72〔図2(b)参照〕を通って冷媒流路18へと流入する様子を矢印ウで示している。
貫通孔72を通って分配された冷媒は、冷媒流路18を冷媒排出マニホールド25側へと流れる。
冷媒流路18における冷媒の流れの向きを、MEA30面に対する向きとして、図3中に矢印エで示している。冷媒流路18内を流れた冷媒は、図2(b)に示す中間プレート13の貫通孔75を通って、冷媒排出マニホールド25へと排出される。
When the refrigerant is supplied to the
FIG. 4 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the fuel cell shown in FIG. 1, and the cross-sectional position is represented by the IV-IV line in FIG. 2 (a).
In FIG. 4, the state in which the refrigerant flowing through the
The refrigerant distributed through the through
The direction of the flow of the refrigerant in the
このような燃料電池において、燃料ガス供給マニホールド24に対して燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、各々のセパレータ10における連通部74と穴部29とからなる燃料ガス供給路を通って、ガス流路形成部41が形成する単セル内燃料ガス流路へと分配される。
燃料ガス供給マニホールド24から単セル内燃料ガス流路へと燃料ガスが流入する様子を、図4に矢印オで示す。
分配された燃料ガスは、電気化学反応に供されつつ、単セル内燃料ガス流路を燃料ガス排出マニホールド23側へと流れる。単セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れの向きを、MEA30面に対する向きとして、図3中に矢印オで示す。
単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、図2に示す穴部28と連通部73とからなる燃料ガス排出路を通って、燃料ガス排出マニホールド23へと排出される。
In such a fuel cell, when the fuel gas is supplied to the fuel
A state in which the fuel gas flows from the fuel
The distributed fuel gas flows through the fuel gas flow path in the single cell toward the fuel
The fuel gas that has passed through the fuel gas flow path in the single cell is discharged to the fuel
本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池を構成する複数のMEA相互間を仕切るセパレータであって、図1〜図4に示して説明したように、対向する金属製のカソード側プレート12とアノード側プレート14とによって樹脂製の中間プレート13を挟持積層して冷媒流路18を形成するセパレータ10に関するものである。
そして、図1及び図4に示すように、MEA30及びガス流路形成部40,41の外周部に設けられ、カソード側プレート12、アノード側プレート14と接触することによりガス流路形成部40,41におけるガスシール性を保持させるシール部42が設けられたセパレータ10において、次のように構成したものである。
The separator for a fuel cell according to the present invention is a separator for partitioning a plurality of MEAs constituting the fuel cell, and as shown in FIGS. The present invention relates to a
And as shown in FIG.1 and FIG.4, the gas flow
基本的には、シール部42によってガスシール性が保持されるラインであって、セパレータ外周部を一巡するシール部42のラインに対応する中間プレート13部分に、補強部を設けてなるもので、以下に実施形態を説明する。
図5及び図6は、各々本発明に係る燃料電池用セパレータの一実施形態の説明図である。このうち、図5は中間プレート13における補強部51の配置例を示す平面図、図6は図5中のVI−VI線拡大断面図である。なお図7〜図9は、図6とは異なる例における図5中のVI−VI線拡大断面図である。
Basically, the gas sealability is maintained by the
5 and 6 are explanatory views of an embodiment of the fuel cell separator according to the present invention. 5 is a plan view showing an arrangement example of the reinforcing
図5に例示するように、補強部51は、セパレータ外周部を一巡する上記シール部42のライン(シールライン)SLに対応する中間プレート13部分に設けられている。
具体的には、補強部51はセパレータ外周部をシールラインSLに沿って断続して一周、形成されている。補強部51を、セパレータ外周部を連続して一周形成してもよいが、このように形成すると、中間プレート13はその外周部分において内外周方向で2分割されてしまう。図示例のように、補強部51をシールラインSLに沿って断続して形成すれば、上記のように中間プレート13が2分割されてしまうことを回避できる。このような補強部51の断続形成によれば、隣接する補強部51相互間部分において内外周部分が連結された1枚の中間プレート13を形成し得る。
As illustrated in FIG. 5, the reinforcing
Specifically, the reinforcing
補強部51は、図6に示す例ではカソード側プレート12、アノード側プレート14に接着することにより設けられているが、図7に例示するように、補強部51を中間プレート13中に埋込み形成してもよい。これによれば、補強部51をプレート12,14への接着の手間が省ける。また、補強部51が直接、プレート12,14に当接する場合の中間プレート13におけるシール性保持のための後述するような補強部51の寸法設定の制約は生じない。
図6、図7に示した例では、補強部51として例えば金属材が用いられるが、図6、図7中の補強部51を設けた位置に相当する部分にガラス繊維やカーボン繊維等の補強用繊維を混入させて中間プレート13を成形し、この補強用繊維混入部を補強部51としてもよい。
なお、補強部51として金属材を用いる場合には、ステンレス鋼あるいはチタン等の高耐食性を有する金属材が好例として挙げられる。
In the example shown in FIG. 6, the reinforcing
In the example shown in FIGS. 6 and 7, for example, a metal material is used as the reinforcing
In addition, when using a metal material as the
また図9に例示するように、一対の電極プレート12,14中のいずれか一方の電極プレート、例えばアノード側プレート14に補強部51を形成してもよい。すなわちアノード側プレート14に、中間プレート13の外周端を跨いで他方の電極プレートであるカソード側プレート12のアノード側プレート14との対向面に当接するプレート外周端突部を形成し、これを補強部51としてもよい。
いずれにしても、補強部51は中間プレート13に比較して剛性の高い材質から形成される。
Further, as illustrated in FIG. 9, the reinforcing
In any case, the reinforcing
このような構成によれば、セパレータ外周部のシールラインSLに対応する部分、換言すれば多数のセパレータと単セルとの組の締結時にシール部42(図1、図4参照)の反力を受けるセパレータ外周部分の剛性が、中間プレート13部分又はその外周に補強部51を設けたことにより高められる。
中間プレート13中に補強部51を含む図7,図8の例によれば、中間プレート13自体がその外周部分において剛性が高められる。一方、中間プレート13中に補強部51を含まない図6、図9の例によれば、中間プレート13自体の剛性は高められないが、いずれの例によっても、セパレータ外周部分の剛性は補強部51を設けたことにより高められる。
According to such a configuration, the reaction force of the seal portion 42 (see FIGS. 1 and 4) is applied when fastening a portion corresponding to the seal line SL on the outer peripheral portion of the separator, in other words, a set of a large number of separators and single cells. The rigidity of the separator outer peripheral portion to be received is enhanced by providing the reinforcing
According to the example of FIGS. 7 and 8 including the reinforcing
なお、図6、図9に例示する場合のように、補強部51が中間プレート13を部分的にも介在することなく、プレート12,14間に設けられるときには、補強部51が直接、プレート12,14に当接するので、この部分のシール性が保持されなくなる虞があり、したがって補強部51は次のように寸法設定される。
すなわち補強部51の、プレート12〜14積層方向についての寸法(高さ寸法)を、3つのプレート12〜14が積層組立てされた際に、中間プレート13のプレート12,14との各積層面が、各々プレート12,14面にシール性を保持した状態で密着される寸法に設定される。基本的に、補強部51の高さ寸法は中間プレート13の厚さ(プレート積層方向についての寸法)を超えることはない。
6 and 9, when the reinforcing
In other words, the dimension (height dimension) of the reinforcing
以上述べたように本実施形態によれば、補強部51を設けたことによってセパレータ外周部における剛性が高くなる。特に、図7,図8の例では中間プレート13自体の剛性がその外周部において高くなる。
前述したように、シールラインSLに対応するセパレータ外周部分で必要な剛性が確保されない場合、セパレータ10と単セル60(図1、図4参照)との組を多数配列するために加えられる一定の締結荷重に対して適切な荷重分配が期待できない。このため、ガスシール性の低下や、シール部ずれによる短絡を引き起こす虞があり、必要な剛性を有する場合に達成できるセパレータ10の更なる薄型化を阻んでいた。
上述した実施形態によれば、補強部51によって必要な剛性がセパレータ外周部に与えられるので、セパレータ10の更なる薄型化が可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the rigidity in the outer peripheral portion of the separator is increased by providing the reinforcing
As described above, when the required rigidity is not ensured in the outer peripheral portion of the separator corresponding to the seal line SL, the constant added to arrange a large number of pairs of the
According to the above-described embodiment, the required rigidity is given to the outer peripheral portion of the separator by the reinforcing
また、中間プレート13の外周部分における剛性が極めて低いことによっては、上記締結荷重によるシール部42(図1、図4参照)の反力で中間プレート13に配設されたマニホールドを形成する穴部20〜25等のガス、冷却媒体の流路が変形し、圧損バラツキを発生させる虞がある。このため、中間プレート13の位置決めは注意深く行わなければならず、面倒な作業となっていた。
上述した実施形態によれば、補強部51によって必要な剛性がセパレータ外周部に与えられるので、中間プレート13の位置決めの簡易化が可能となる。
Further, since the rigidity of the outer peripheral portion of the
According to the above-described embodiment, since the required rigidity is given to the outer peripheral portion of the separator by the reinforcing
なおシールラインSLは、必ずしも図5に示すようにセパレータ(プレート12〜14)の外形状に沿った形状となっているとは限らない。シールラインSLがセパレータ外形状に沿った形状でない、例えば図10に示すようなシールラインSLを描くセパレータ10もある。
このようなセパレータ10においても、補強部51は、セパレータ外周部を一巡する図示シールラインSLに対応する中間プレート13部分又はその外周に連続又は断続して設けられるもので、これによっても上述実施形態と同様の効果が得られることは勿論である。
Note that the seal line SL does not necessarily have a shape along the outer shape of the separator (
Also in such a
10:セパレータ、12:カソード側プレート(電極プレート)、13:中間プレート、14:アノード側プレート(電極プレート)、30:MEA(膜−電極接合体)、40,41:ガス流路形成部、42:シール部、51:補強部、60:単セル、SL:シールライン。 10: Separator, 12: Cathode side plate (electrode plate), 13: Intermediate plate, 14: Anode side plate (electrode plate), 30: MEA (membrane-electrode assembly), 40, 41: Gas flow path forming part, 42: seal part, 51: reinforcement part, 60: single cell, SL: seal line.
Claims (2)
対向する金属製の一対の電極プレート及びこの一対の電極プレートに挟持積層される樹脂製の中間プレートを備えてなり、
前記膜−電極接合体の触媒電極と前記電極プレートとの間のガス流路形成部の外周部と、前記膜−電極接合体の外周部とに設けられ、前記電極プレートと接触することにより前記ガス流路形成部におけるガスシール性を保持させるシール部の、セパレータ外周部を一巡するラインに対応する前記中間プレート部分又はその外周に補強部が設けられ、
この補強部は、前記ラインに沿ってセパレータ外周部に連続又は断続して形成され、
前記中間プレート中に前記補強部が埋込み形成されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A separator for a fuel cell that partitions a plurality of membrane-electrode assemblies constituting the fuel cell,
A pair of opposing metal plates and a resin intermediate plate sandwiched and laminated between the pair of electrode plates,
Provided on the outer periphery of the gas flow path forming portion between the catalyst electrode of the membrane-electrode assembly and the electrode plate, and on the outer periphery of the membrane-electrode assembly, and by contacting the electrode plate, A reinforcing portion is provided on the intermediate plate portion or the outer periphery thereof corresponding to a line that goes around the outer periphery of the separator of the seal portion that maintains the gas sealing property in the gas flow path forming portion,
This reinforcing part is formed continuously or intermittently on the outer periphery of the separator along the line,
A fuel cell separator, wherein the reinforcing portion is embedded in the intermediate plate.
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